0 引言

    低噪声放大器(LNA)位于接收机的前端，是无线通信系统射频接收机关键的单元模块。随着无线通信不断快速发展，行业应用对射频接收机的噪声性能要求日益提高^[1]。现有北斗用户接收机前端为接收S频段信号，利用1 GHz～3 GHz射频晶体管的低噪放设计方案^[2]，在满足功率增益情况下，实际测试噪声性能在1.5 dB～1.7 dB之间，相比最优噪声性能还有提高的可行性。

    本文研究基于可高带宽传输的毫米波射频晶体管ABS655进行低噪放设计，通过改善偏置电路的静态工作点，采用线性稳压电路来减小电源噪声干扰，并利用L-C匹配网络实现端口阻抗匹配，以及利用北斗声表滤波器进行选频从而稳定电路参数，减轻杂讯信号干扰。通过软件仿真和实际测试，结果显示该方案能在宽频带下实现增益Gain>30 dB，噪声系数NF<1.3 dB，IIP3>15 dBm，显著优化了北斗三号卫星导航接收机前端的指标设计要求，具有广阔的应用前景。

1 系统要求和设计方案

    我国北斗有源定位卫星系统(RDSS)和短报文通信主要应用于S频段内，北斗三号卫星信号到达地面时，最小功率电平为-163 dBW，最大信号带宽为20.46 MHz，信号中心频率为2 491.75 MHz。为捕获北斗三号主要信号，要求低噪声放大器工作带宽大，工作频率为2 492 MHz，带内增益要求达到30 dB以上，噪声系数小于1.3 dB，IIP3@2.49 GHz>15 dBm，输入输出驻波比小于1.5 dB。

    本次设计中采用的NPN宽带硅锗射频晶体管ABS655，毫米波管芯覆盖0～12 GHz，高增益、低噪声、线性度好，可用于高速、低噪声应用^[3]。单级放大器在2.492 GHz频点上最高增益达25 dB，最小噪声可达0.4 dB，但仍未达到设计要求。故方案采用两级级联结构，第一级与第二级之间采用共轭匹配，利用L-C网络耦合方式，可有效增强放大器增益性能。为提高系统灵敏度需尽量减小放大器噪声系数。设计利用ADS软件仿真优化^[4]，Altium designer进行版图设计，最终实际测试。低噪放系统结构图如图1所示。

    由系统结构图可知，为做频率选择，反射干扰频率信号，在第一级输入匹配网络前采用TDK高通滤波器DEA162300HT，控制2.3 GHz以上频率插损<0.4 dB，基本抑制2.3 GHz频段以下信号，保留北斗信号主频段^[5]。并在级间及第二级输出匹配网络后采用北斗带通滤波器NDF9200，在2 487 MHz～2 497 MHz之间最大插损仅为3 dB，进一步降低干扰。

2 低噪声放大器电路设计与仿真

2.1 静态工作点测试及偏置电路设计

    利用宽带硅锗射频晶体管ABS655的直流特性，通过查阅芯片手册可以得到最小噪声系数曲线图和增益曲线图，如图2、图3所示。

    放大器静态工作点的合理设置是实现其交流性能的前提。通过芯片手册看出，在V_CE=2 V，I_C=5 mA，f=2.492 GHz的条件下，增益最大达25 dB，噪声系数为0.5 dB。根据KVL原则得到关系如式(1)、式(2)所示：

    根据实际寄生参数的影响，调整确定R₁=R₂=100 Ω，R_B=75 kΩ，最后确定偏置电路如图4所示。此外，电路增加TPS79301低压降线性稳压器，其噪声低，电源电压抑制比（PSRR）高，能有效减少外部电源带给电路的干扰，且在一定程度上保护电源不受射频信号的反向伤害。设置电源电压3.6 V，提供给低噪放电路电压为3 V，实际压降0.6 V，如图5所示。

2.2 稳定性分析

    稳定性是指放大器在外界环境和电路条件发生变化时，维持稳定工作的能力。在确定低噪放工作频率和偏置电路设计后，需在相应频带内保持稳定才能正常工作。放大器的稳定性分为绝对稳定和相对稳定。绝对稳定又称无源稳定，是指在选定的工作频率和偏置条件下，放大器在整个Smith圆图内始终处于稳定状态。将放大器视为一个两端口网络，该网络由S参量及外部终端条件下Γ_L和Γ_S确定。稳定性意味着反射系数的模小于1。如式(3)～式(5)所示：

    此时放大器是无条件稳定的。若不满足，则会产生自激振荡现象。

    为达到绝对稳定状态，高频率下可采用在输出端串联或并联小电阻的方法来增加稳定性。为减小S₁₂带来的正反馈，故在发射极与地之间串联小电感，以引进负反馈网络^[6-7]。在ADS软件中对电路进行仿真得到稳定性参数图如图6所示，结果显示在0 GHz～14 GHz频段下K>1，放大器均保持绝对稳定。在实际的放大器测试过程中，利用微带线代替电感，通过网络分析仪对放大器的稳定因子K进行测试，结果表明在空载时电路已达到绝对稳定状态。

2.3 匹配电路设计分析

    匹配电路网络分输入匹配、级间匹配和输出匹配三部分。其中输入匹配采用最佳源反射系数噪声匹配以得到最小噪声^[8]。输入电路采用双元件的L形匹配网络，其可以有效降低回波损耗，并提高增益和频带内的稳定性^[9]。仿真电路中加上微带线模拟实际电路通道，以进一步为实际调试匹配提供根据。为实现匹配网络在2.492 GHz频点上实现良好匹配，调整匹配网络的频率响应,根据有载品质因素QL的公式(8)所示：

    其量值等于谐振频率f₀与3 dB带宽BW的比值。通过QL与BW关系可以调节频率响应^[10]，然而BW往往在设计初便已被规定，故调节Q_L数值对频率响应产生较大影响。实际中Q_L可以根据最大节点品质因数Qn来估算。故为增加Q值的可调范围，调整电路带宽特性，在输入匹配网络中引入元件L₂，增加一个节点并适当选择该节点上的阻抗来控制Q_L值。L₂在偏置输入电路上防止交流信号对电源损害，也对输入端匹配的最佳噪声点分布产生一定影响。而电感Q值大小会显著影响输入端电路损耗和噪声表现，高电感Q值可减小输入噪声，从而影响整个电路的总噪声^[11]。故在选用电感型号时，选用Murata LQG高频电感，保证Q值尽量大。匹配网络两端的微带线均采用50 Ω特性阻抗，根据匹配过程微带线长度有所变化。电路如图7所示。

    根据匹配电路设计原理，通过Smith圆图设计出最佳噪声系数圆图^[12-13]，图8、图9分别是匹配前噪声系数圆和最佳噪声系数圆，由图9可见，噪声系数圆圆心m9已与Smith圆图圆心重合，达到了最佳的匹配点，而增益圆圆心m10并未达到最佳增益点，故增益还需要进一步调试。输入输出端S参数仿真结果S₁₁、S₂₂如图10、图11所示，为在直流2 V/5 mA条件下，单级放大电路采用ABS655的S参数模型。在输出通路上，大电容旁路接地能有效滤波，其中直流信号和交流信号已被电容和电感相互隔离，相互之间不受影响。且偏置电路上两级均增加EMI三端陶瓷滤波电容器，以进一步将干扰信号滤除，保证电路正常工作。

    为达到最小噪声系数，进行最佳噪声系数圆匹配，接入射频信号带载调试，电路处在相对稳定的状态，一旦出现过度失配现象，会造成放大器自激振荡，导致电路不能正常工作。尤其是第二级输出端上直流通路上的电感L₈，在实际测试中对匹配点产生显著的影响，临界微小值的改变会造成电感内部的不稳定，外部表现为电感两端电压不相同，导致偏置电路电流值发生变化，最终使低噪放无法正常工作。测试表明，当L₈电感值在0 nH～3 nH时匹配前后级网络，电路保持稳定，一旦电感值超过3.3 nH，则电路电流值出现异常，放大器陷入自激振荡。综合考虑后确定L₈值为3 nH，以保持低噪放相对稳定正常工作和匹配参数良好。电路如图12所示。

3 测试结果与性能分析

    高频信号之间会产生电磁干扰和耦合，以及空间中各类信号干扰，设计不当会导致元器件间相互干扰，使电路不能正常工作。因此，本次设计利用Altium designer软件，采用一字型布板，使输入端尽可能远离输出端，减小信号耦合与反馈。偏置电路的馈电通路与主信号线垂直，避免通路上感性器件之间的互感干扰。

    低噪放的线性度是放大器在工作时需要考虑的重要因素之一，在电路分析中通常用三阶交调截取点(IP3)衡量线性程度，本次设计仿真结果如图13所示。在2.492 GHz频点上，IIP3=17.2 dBm，OIP3=31 dBm，符合设计指标，实现了高线性度。

    根据版图设计制作电路，通过Agilent噪声系数仪测得噪声系数NF。在直流功耗为15 mW，中心频率为2 492 MHz，带宽50 MHz条件下，噪声系数NF=1.23 dB，增益Gain=32.72 dB，经计算输入输出驻波比<1.5，满足设计要求。实际测试性能与参考文献对比如表1所示。 

    由表1可知，相比于文献[12]窄带(8.16 MHz)电路设计，本文针对宽带低噪放设计，噪声系数略有上升，但能满足北斗三号导航系统更大带宽信号接收的要求；相比于文献[15]，在同样宽带条件下，本文电路在噪声性能上具有一定的优势。

    最终两级北斗低噪声放大器的实物效果如图14所示。经过长期的测试，各项指标正常，无自激振荡现象，符合北斗射频前端设计要求，能满足未来北斗三号卫星导航接收机广阔的工程应用。

4 结论

    本文基于毫米波管芯，研究一种可应用于北斗三号RDSS的低噪声放大器。该方案采用两级级联结构，在包括前后端多个滤波器插损在内，实测结果表明在2.492 GHz频点下，线性度高，增益大于30 dB，噪声系数小于1.3 dB，噪声性能参数理想，相较于现有S频段低噪放设计方案，在各指标上均有明显的优化提升，可为北斗三号用户接收机的后续开发提供可靠的应用支持。

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作者信息:

黄仕锦1，赖松林1，王宇楠2

(1.福州大学 物理与信息工程学院，福建 福州350108；

2.中国移动通信集团福建有限公司宁德分公司，福建 宁德352000)